专利名称：聚合物光波导及光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学装置，更详细地说，其特征在于，在由聚合物光波导形成的光学装置的长期可靠性方面，可以防止光学特性变差。
本发明涉及聚合物光波导，其中，光波导的构成要素的上部包层的至少一部分由覆盖部件覆盖。更详细地说，本发明涉及聚合物光波导以及具有该聚合物光波导的光学装置，所述聚合物光波导中，通过放射线固化型树脂粘接该上部包层和该覆盖部件。
背景技术：
随着多媒体时代的到来，光通信系统和计算机都需要信息处理的大容量化和高速化，作为光传输介质的光波导日益受到重视。对于以该目的而使用的光波导，不仅希望其传输损失、偏振波依存性等光学特性良好，而且还希望其性能不受外部环境影响，长期稳定，并且，希望能够在对环境无污染、耗能少、时间短、工序少的条件下高成品率地制造微细且具有复杂形状的光波导。
作为现有的光波导，石英类波导具有代表性，但是其制造时为了堆积石英膜需要在高温下进行长时间的处理，并且由于波导图案的形成工艺中包括使用光致抗蚀剂的工序和使用危险性高的气体进行蚀刻的工序，因而需要特殊的装置等，所以即使使用多个复杂的工序和特殊的装置，现有的光波导也存在制造时间长且成品率低等问题。
对于这些问题，为了提高生产性，例如缩短光波导的制造时间、削减工序数、提高成品率等，近年来提出了一些使用液态的固化型组合物作为芯部和包层部的材料的聚合物光波导(参照特开平06-109936号公报、特开平10-254140号公报、特开2000-180643号公报)。
但是，对于聚合物光波导，由于工序的简化或制作时间的缩短等，与现有的石英类光波导相比，其成本优势很大，而另一方面，与无机材料相比，聚合物材料有关吸湿性等特性差，这是聚合物光波导所存在的问题。已知透过上部包层从外部空气中吸湿后，对光波导的传输特性有不良影响。
另一方面，关于石英类光波导，虽然已知通过石英板等将粘接部位密封以防止将滤光器固定在包层的一部分上的树脂制粘接剂的吸湿的技术，但是这并不能充分防止聚合物光波导的包层自身引起的吸湿性(参照特开平9-615151号公报、特开平11-52150号公报)。
发明内容
本发明的发明人为了解决上述现有技术的问题进行了深入研究，完成了本发明所说明的聚合物光波导的发明。即，聚合物光波导具有设置于基板上的下部包层、芯层以及上部包层和覆盖该上部包层的至少一部分的覆盖部件，借助于这样的聚合物光波导，本发明提供能够得到稳定传输特性的聚合物光波导，其可以防止透过该上部包层的吸湿；即使在苛刻环境条件下也可以抑制由材料吸湿引起的特性变化或与基板的粘接性降低；并且可靠性试验前后的光学特性不变差，可以确保充分可靠性。
值得注意的是，本发明的光学装置指的是在基板上具有光波导、光合波器、光分波器、光合分波器、光衍射仪、光学放大器、光衰减器、光干涉器、滤光器、光开关、波长转换器、发光元件、受光元件或这些元器件的复合体；作为所述基板，使用玻璃、石英等无机材料；硅、砷化镓、铝、钛等半导体或金属材料；聚酰亚胺、聚酰胺等高分子材料；或这些材料的复合材料。此外，有时也在这些基板上形成发光二极管、光电二极管等半导体装置或电极等的金属膜，进一步，为了保护基板或控制基板的折射率，有时也在基板上形成氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钽等的涂膜。
本发明提供的聚合物光波导及光学装置如下(1)聚合物光波导，其具有设置于基板上的下部包层、芯层以及上部包层，并且其还具有覆盖该上部包层的至少一部分的覆盖部件。
(2)如(1)所述的聚合物光波导，其中，上述上部包层和上述覆盖部件是通过放射线固化型粘接剂粘接的。
(3)如上述(1)或(2)所述的聚合物光波导，其特征在于，上述覆盖部件由石英或玻璃形成。
(4)光学装置，其具有上述(1)～(3)任意一项所述的光波导。
根据本发明，本发明提供的光波导以及光学装置即使在苛刻条件下也可以抑制由材料吸湿引起的特性变化或与基板的密着性降低；并且可靠性试验前后的光学特性不变差，可以确保充分的可靠性；同时还具有良好的操作性。
具体实施例方式
下文对本发明的实施方式进行具体的说明。本发明所述的聚合物波导是通过放射线固化型组合物、热固型组合物的固化物等树脂来形成下部包层、芯层、以及上部包层的光波导。对于形成本发明的聚合物光波导的芯层或包层的放射线固化型组合物，不特别地限定，例如，从光学特性和可以直接曝光的方面考虑，可以举出含有感光性聚硅氧烷的放射线固化型组合物。若通过硅氧烷类聚合物形成光波导的芯部和包层部，则由于在主骨架中具有硅氧烷键而可以得到具有优异耐热性的聚合物光波导。此外，作为本发明的放射线固化型组合物，除了聚硅氧烷类组合物以外，还可以是以感光性丙烯酸单体、感光性环氧单体为主体的放射线固化型组合物。此外，对于本发明的芯层、包层，除了由这些放射线固化型组合物的固化物形成以外，也可以由氟化聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚碳酸酯等树脂形成。
本发明中的覆盖部件只要是透湿性低的材料即可，没有特别限定，但从低线膨胀率和强度等方面考虑，优选为石英、玻璃等的片。
作为本发明中粘接上部包层和覆盖部件的粘接剂，虽然没有特殊限制，但是从生产性、室温固化性方面考虑，优选为放射线固化型粘接剂。作为放射线固化型粘接剂，虽然没有特殊限制，但是优选为丙烯酸类-环氧类、硅酮类等。作为该放射线固化型粘接剂市售品的具体例子，可以举出NOA60、NOA65、NOA81(NORLAND社制)；OG114-4、OG146(EPO-TEK社制)；threebond3160、threebond3170B(threebond社制)；AT3925M、AT9575M(NTT Advanced Technology社制)；ELC2710、ELC2500clear(ェレクトロラィト社制)等。
下文是光波导形成时的实施方式，举例说明通过光固化制造光波导的方法。
1.光波导形成用放射线固化型组合物的调制对于用于形成构成光波导的包层的光波导形成用组合物，可以使用上述的含有聚硅氧烷成分和感光性化合物的放射线固化型组合物，此外，也可以使用热、光固化型组合物。
对于调制成的下层用组合物、芯用组合物以及上层用组合物，可以分别进行选择，使最终得到的各部分的折射率的关系满足光波导所要求的条件，例如在芯径为5μm～10μm时，比折射率差为0.2％～0.6％。
水解性硅烷化合物是硅氧烷成分的原料，通过适当地选择水解性硅烷化合物的种类，可以制造能得到具有不同折射率的固化膜的光波导形成用放射线固化型组合物。此时，使用使折射率差为适宜大小的两种或三种光波导形成用放射线固化型组合物，优选将提供最大折射率固化膜的光波导形成用放射线固化型组合物作为芯用组合物，将其它的组合物用作下层用组合物和上层用组合物。
但是，包层用组合物可以是同一种光波导形成用组合物，通常从经济上有利、制造管理容易的方面考虑，更优选为包层用组合物是同一种组合物。
此外，配制包层用光波导形成用组合物时，优选使其粘度为100cps～10000cps(25℃)范围内的值，更优选使其粘度为100cps～8000cps(25℃)范围内的值，进一步优选使其为300cps～3000cps(25℃)范围内的值。
其原因在于，若各光波导形成用组合物的粘度为这些范围外的值，则有可能操作变得困难、难以形成均匀涂膜。
另外，可以通过反应性稀释剂或有机溶剂的配比量来适当调整光波导形成用组合物的粘度。
2.形成方法下文以所谓通道型光波导为例，说明通过湿式平版印刷方法使用本发明的放射线固化型组合物的制造光波导的工序。但是，对于本发明中光波导的结构没有特殊限制。
经过图2所示的工序形成剖面具有
图1结构的光波导，即，优选在涂布用于形成下部包层13、芯部分15以及上部包层17(未图示)的任意一层的光波导形成用组合物后，通过热固化或光固化形成这些层。
此外，在下文的形成例中，假设下层用组合物、芯用组合物以及上层用组合物是固化后得到不同折射率的固化物的光波导形成用组合物，分别由这些组合物形成下部包层、芯部分和上部包层，在此前提下进行说明。
对涂布形成本发明光波导中的下部包层、芯层、上部包层的固化型组合物的方法进行说明。只要所得的固化膜的表面均匀，则对涂布方法不特别限定，可以使用旋涂法、喷涂法、辊涂法、喷墨法等方法，但是其中优选作为半导体业界中高精度的工业涂布技术而采用的旋涂法。
旋涂条件包括第1工序和第2工序，所述第1工序中，在0℃～100℃的范围，以10转/分钟～1000转/分钟实施1秒～60秒，将液体组合物均一涂布在基板上，所述第2工序中，通过高速旋转形成一定的膜厚。为了控制表面粗糙度，控制第2工序，并根据固化性液体组合物的粘度的条件进行选择。固化性液体组合物的粘度为100cps～3000cps时，优选以500转/分钟～5000转/分钟实施30秒～100秒，粘度为3000cps～10000cps时，优选以1000转/分钟～8000转/分钟实施60秒～300秒。
①基板的准备首先，如图2(a)所示，准备具有平坦表面的基板12。
②下部包层的形成工序该工序是在准备好的基板12的表面上形成下部包层13的工序。具体地说，如图2(b)所示，将下层用组合物涂布在基板12表面上后，进行干燥或预烘干，形成下层用薄膜。此时，可通过加热或用光照射使该下层用薄膜固化，从而形成下部包层13。
对于形成芯层和包层时采用的加热温度没有特殊限制，但是通常在50℃～300℃的范围内实施1分钟～24小时。此外，对光没有特殊限制，通常可以使用200nm～450nm的紫外～可视光，优选使用含有波长为365nm的紫外线的光。照射曝光时，200nm～450nm的照度为1mW/cm2～1000mW/cm2，照射量为0.01mJ/cm2～5000mJ/cm2，优选照射量为0.1mJ/cm2～1000mJ/cm2。
其中，作为所照射的放射线的种类，可以使用可见光、紫外线、红外线、X线、d线、β线、γ线、电子射线等，但是从光源的工业上广泛应用性方面考虑，优选含有200nm～400nm的紫外线的波长，特别优选含有365nm的紫外线的波长。于是，作为照射装置，例如可以使用高压汞灯、低压汞灯、金属卤化物灯、准分子灯等同时照射很大面积的灯光源；脉冲、连续发光的激光光源；以及使用由上述两者中的任意一种光源发出的光经反射镜、透镜、光纤形成的集束光。使用集束光来形成光波导时，可以通过移动集束光或移动被照射体来曝光成为光波导的形状。在这些光源中优选为365nm的紫外线强度高的光源，例如，作为灯光源优选高压汞灯，作为激光光源，优选为氩激光。而且，在下部包层13的形成工序中，优选将光照射在薄膜的全部表面上，使其全体固化。
此外，为了使涂布组合物的流变学特性适应涂布方法，根据需要可以配合除表面张力降低剂以外的添加剂。此外，优选涂布后将由下部包层用组合物形成的膜在50℃～200℃下进行预烘干。
而且，对于后述的芯部分的形成工序、上部包层的形成工序，下部包层形成工序中的涂布方法、流变学特性的改良等也是适用的内容。
此外，曝光后，优选进一步进行加热处理(下文，称为“后烘干”)来使涂膜全部表面充分固化。该加热条件根据光波导形成组合物的配合组成、添加剂的种类等变化而变化，通常的加热条件是，在30℃～400℃，优选50℃～300℃，加热例如5分钟～72小时。
而且，对于后述的芯部分的形成工序或上部包层形成工序，下部包层形成工序中光的照射量、种类以及照射装置等也是适用的内容。
③芯部分的形成接着，如图2(c)所示，将芯用组合物涂布在该下部包层13上，干燥或进一步预烘干，形成芯用薄膜14。
然后，如图2(d)所示，对芯用薄膜14的上表面，按照规定的图案，例如，优选透过具有规定直线图案的光掩模19照射光16。
由此，由于只是被光照射的部位固化，所以通过显影除去其它未固化的部分，从而如图2(e)所示，在下部包层13上可以形成由图案化的固化膜形成的芯部分15。
此外，透过具有规定图案的光掩模19对用于形成芯部分15的芯用薄膜14照射光16后，通过显影液对未曝光的部分显影，除去未固化的不需要的部分，由此形成芯部分15。
作为如此根据规定的图案进行光照射的方法，不限于使用包括透光部分和非透光部分的光掩模的方法，可以举出例如，下述a～c的方法。
a.利用如下单元的方法，所述单元利用与液晶显示装置相同的原理，以光电学方式形成掩模像，所述掩模像包括与规定图案相对应的透光部分和不透光部分。
b.使用多根光纤集束而形成的导光元件，透过该导光元件中对应规定图案的光纤来照射光的方法。
c.一边以激光或得自透镜、反射镜等聚光性光学系统的集束光扫描，一边照射组合物的方法。
而且，曝光后，为了促进曝光部分的固化，优选进行加热处理(下文称为“PEB”。)。虽然该加热条件根据光波导形成用组合物的配合组成、添加剂的种类等变化而变化，但是通常为30℃～200℃，优选为50℃～150℃。
另一方面，曝光前，仅仅将由光波导形成用组合物形成的涂膜在室温条件下放置1小时～10小时，就可以使芯部分的形状为半圆形。因此，欲得到半圆形的芯部分时，优选如上所述，曝光前在室温条件下放置数小时。
对于这样根据规定的图案来进行曝光、选择性固化的薄膜，利用固化部分和未固化部分之间的溶解性的差异，可以进行显影处理。因此，图案曝光后，除去未固化部分的同时保留了固化部分，由此最终可以形成芯部分。
其中，作为显影液，可以使用以碱性物质和溶剂稀释的溶液；其中所述碱性物质，可以举出例如氢氧化钠、氨、乙胺、二乙胺、氢氧化四甲铵、氢氧化四乙铵、胆碱等；所述容剂可以举出例如，水、甲醇、乙醇、丙二醇单甲醚、丙酮等。
此外，显影液中碱性物质的浓度通常为0.05重量％～25重量％，优选为0.1重量％～3.0重量％范围内的值。
此外，显影时间通常为30秒～600秒，此外显影方法可以采用涌液法、浸沾法、喷淋显影法等公知的方法。
显影液中使用有机溶剂时，通过直接风干来形成图案状的涂膜，此外，使用碱水溶液作为显影液时，例如进行流水洗涤30秒～90秒，然后通过用压缩空气或压缩氮气等风干来除去表面上的水分，从而形成图案状的涂膜。
然后，为了进一步使图案形成部分固化，通过电热板或烤箱等加热装置，在如30℃～400℃的温度进行5分钟～60分钟的后烘干处理，从而形成固化的芯部分。
此外，在芯、包层的两层中添加酸扩散抑制剂时，优选按芯层的浓度高设定酸扩散抑制剂的含量，但是不需要对包层形成图案时，也可以在包层中不添加酸扩散抑制剂。
通过如此构成，可以进一步提高芯部分的图案精度，另一方面，对于下部包层用组合物或上部包层用组合物，在得到优异的保存稳定性的同时，可以在比较少的光照射量下充分固化。
④上部包层的形成接着，在形成芯部分15的下部包层13的表面上涂布上层用组合物，进行干燥或预烘干，形成上层用薄膜。对于该上层用薄膜，照射光使其固化，如图1所示可以形成上部包层17。
此外，对由光照射而得到的上部包层，根据需要，优选进一步进行上述后烘干。通过后烘干，可以得到硬度和耐热性优异的上部包层。
⑤覆盖部件的粘接将制作的光波导基板固定在旋涂机上，将粘接剂滴在光波导的上部包层上，安置覆盖部件，用夹具固定覆盖部件使其位置不偏离。接着，以与旋涂法相同的顺序旋转每个光波导基板。控制旋转速度和旋转时间，从而可以得到具有均匀的粘接剂层的覆盖部件密封光波导基板。值得注意的是，可以用覆盖部件覆盖上部包层材的全部表面或一部分，优选用覆盖部件覆盖全部表面。
下文通过实施例对本发明进行说明。
在下文的实施例中，使用硅片作为基材。对于光波导的形成顺序，根据上述顺序实施。本实施例中，使用PJ5025(JSR(株)制)作为下部包层和上部包层用的放射线固化型组合物，使用PJ5024(JIS(株)制)作为芯层用的放射线固化型组合物。在表1的实施例-1中，通过热固化形成包层。其它的实施例以及比较例中通过光固化使包层固化。通过使用光掩模的曝光，芯层形成直线光波导图案。实施时，使下部包层的厚度为15μm、芯层的厚度为8μm、宽为8μm、长为6cm、芯之间的间隔为20μm、上部包层的厚度为15μm。此外，单模光波导的设计时，设计组成使芯层的折射率为包层的折射率的1.003倍。
评价[光学特性的测定样品]准备具有8μm×8μm正方形的芯的直线光波导，其中作为光学装置用光波导基板的是4英寸硅片。接着，在该基板上，使用各种粘接剂粘接100μm厚的玻璃板，通过切割来制成光波导长为10mm的样品。
测定初期值的插入损失后，将同一样品在-40℃下放置30分钟后，在85℃下放置30分钟，以此为一个循环，进行500次该循环冷热处理后，测定直线光波导的插入损失，测定冷热处理前后的插入损失的变化量。插入损失的变化量大于等于1dB的样品为[×]，在1dB以内的样品为[○]。
测定初期值的插入损失后，将同一样品在恒温恒湿(85℃、相对湿度为85％)的环境下放置2000小时，然后测定直线光波导的插入损失，测定恒温恒湿处理前后的插入损失的变化量。插入损失的变化量大于等于1dB的样品为[×]，在1dB以内的样品为[○]。
表1
权利要求
1.聚合物光波导，其具有设置于基板上的下部包层、芯层以及上部包层，并且其还具有覆盖该上部包层的至少一部分的覆盖部件。
2.如权利要求1所述的聚合物光波导，其中，所述上部包层和所述覆盖部件通过放射线固化型粘接剂粘接。
3.如权利要求1或2所述的聚合物光波导，其特征在于，所述覆盖部件由石英或玻璃形成。
4.光学装置，其具有权利要求1～3任意一项所述的光波导。
全文摘要
本发明的聚合物光波导具有设置于基板上的下部包层、芯层以及上部包层，并且还具有覆盖该上部包层的至少一部分的覆盖部件。通过放射线固化型粘接剂粘接上述包层和覆盖部件。覆盖部件由石英或玻璃形成。该聚合物光波导可以防止透过该上部包层的吸湿；即使在苛刻环境条件下也可以抑制由材料吸湿引起的特性变化或与基板的粘接性降低；而且可靠性试验前后的光学特性不变差，可以确保充分的可靠性，并且其还具有稳定的传输特性。
文档编号G02B6/12GK1795407SQ20048001474
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月28日 优先权日2003年5月28日
发明者玉木研太郎, 高濑英明, 江利山祐一 申请人:Jsr株式会社